Mặc dù có hơn 800 chiếc Su-2 và Su-4 được chế tạo, nhưng nó vẫn bị coi là cũ và chỉ được sử dụng vào đầu chiến tranh thế giới II, và sau đó nhanh chóng bị thay thế bởi máy bay ném bom Petlyakov Pe-2 và Tupolev Tu-2. Nhược điểm nữa của máy bay là các phi công Liên Xô thường nhầm máy bay này với máy bay Đức. Sau đó phiên bản hạng nhẹ với một động cơ M-88B có vận tốc 512 km/h (275 knots, 320 mph) được dùng để thử nghiệm, một số chiếc Su-2 được sử dụng để chiến đấu trong Chiến tranh vệ quốc vĩ đại khi Liên Xô mất quá nhiều máy bay.